據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示截止2012年8月底中國(guó)汽車保有量已經(jīng)突破一億輛。由于汽車摩擦材料壽命期比較短，既是安全件，又是易損件，所以其配件維修需用量很大，因此對(duì)汽車剎車片的研究不僅對(duì)改善人們生活品質(zhì)具有一定的意義還對(duì)廣闊的商業(yè)市場(chǎng)具有一定的意義。

 

       1.剎車片的工作條件、失效方式及性能要求

 

       1.1剎車片的工作條件

 

       剎車片處于汽車外表面，與輪輞轉(zhuǎn)向立柱相連接，長(zhǎng)期受到雨水的腐蝕，太陽(yáng)光的照射，汽車在行駛制動(dòng)時(shí)，會(huì)受到摩擦和沖擊，尤其是在高速制動(dòng)時(shí)，剎車片與摩擦塊產(chǎn)生摩擦，將車輛行進(jìn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成摩擦后的熱能，從而達(dá)到車輛減速剎車的目的。

 

       1.2剎車片的失效方式

 

       可根據(jù)剎車片的工作條件來(lái)確定其失效形式。由于長(zhǎng)期受到暴露在空氣中受到雨水侵蝕，所以可能腐蝕失效；剎車片工作在車輛制動(dòng)時(shí)，尤其是高速制動(dòng)時(shí)，剎車瞬間產(chǎn)生的熱量是相當(dāng)大的，所以剎車片將要承受高溫；由于摩擦制動(dòng)，所以剎車片會(huì)磨損失效；并且剎車制動(dòng)時(shí)剎車片也要受到很大的制動(dòng)力，可能將會(huì)導(dǎo)致剎車片變形過(guò)大失效。

 

        1.3剎車片的性能要求

 

        轎車車速普遍較快因此剎車瞬間產(chǎn)生的熱量是相當(dāng)?shù)拇?，剎車片是在高溫、制動(dòng)力極大及無(wú)液體潤(rùn)滑這樣極其苛刻的條件下工作的，所以要求制造剎車片的材料必須密度小并具有高的耐磨性、高的熱導(dǎo)性、高的耐蝕性、高的抗熱性及較高的高速熱衰退性能，另外高速制動(dòng)時(shí)往往伴隨有噪音的產(chǎn)生，所以剎車片還要求噪音低甚至是無(wú)噪音。

 

         2.汽車剎車片候選材料

 

         2.1鋼纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制

 

        汽車剎車片主要是有基體粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維以及摩擦性能調(diào)節(jié)劑組成。對(duì)于每一種具體的摩擦材料一般都是由幾種到十幾種組份組成，每種組份在其中都會(huì)起到一定的作用，而且各組份的性能、比例、物理化學(xué)狀態(tài)都會(huì)影響摩擦材料的綜合性能。作者將從汽車剎車片摩擦材料所用的增強(qiáng)纖維方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的選取。

 

        增強(qiáng)纖維作為剎車片的骨架的主要組成部分，對(duì)摩擦材料的各種性能都有著重要影響。比如能夠提高材料的模量、強(qiáng)度、耐高溫性能等等，還可以減少比重和降低磨損率。因此增強(qiáng)纖維必須滿足以下要求：比較高的模量和強(qiáng)度；高溫時(shí)抗熱衰退性能要好，在要求的溫度范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生熱分解、脫水、相變等；良好的摩擦磨損性能；良好的分散性及與基體樹(shù)脂能很好的粘結(jié)在一起；合適的硬度，不損傷對(duì)偶件；來(lái)源廣、價(jià)格合適、對(duì)環(huán)境友好等。

 

        鋼纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料通過(guò)下列機(jī)制起增強(qiáng)作用：

 

        1）增強(qiáng)纖維是具有強(qiáng)結(jié)合鍵的物質(zhì)或硬質(zhì)材料。當(dāng)這些硬質(zhì)材料為塊狀時(shí)，其內(nèi)部往往含有較多裂紋，容易斷裂，表現(xiàn)出很大的脆性，使鍵的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。如果將這些硬質(zhì)材料制成細(xì)的纖維，則由于尺寸小，其中出現(xiàn)裂紋的幾率減低，裂紋的長(zhǎng)度也減小，因此脆性明顯改善，強(qiáng)度顯著提高。

 

        2）增強(qiáng)纖維處于集體中，彼此隔離，其表面受到基體的保護(hù)，不易遭受損傷，也不易在承載過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，使其承載能力增大。

 

        3）當(dāng)材料受到較大應(yīng)力時(shí)，一些有裂紋的增強(qiáng)纖維可能斷裂，但基體能阻礙裂紋擴(kuò)展并改變裂紋擴(kuò)展方向，增加裂紋擴(kuò)展行程，從而使材料的強(qiáng)度和韌性提高。

 

        4）當(dāng)增強(qiáng)纖維與基體有適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度時(shí)，纖維受力斷裂后被從基體中拔出，這需克服基體對(duì)纖維的粘結(jié)力，使材料的斷裂強(qiáng)度提高。

 

        3.鋼纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料的性能分析

 

        3.1鋼纖維復(fù)合材料的性能分析

 

        鋼纖維具有良好的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和較高摩擦系數(shù)。其缺點(diǎn)是比重大、表面容易氧化銹蝕、對(duì)對(duì)偶件有較大的傷害。

 

        3.2芳綸纖維復(fù)合材料的性能分析

 

       芳綸纖維性能優(yōu)秀，在摩擦材料中對(duì)孔隙率提高和噪音的降低具有顯著的作用。芳綸纖維單獨(dú)作用時(shí)不但沒(méi)有玻璃纖維與碳纖維的脆性而且具有很高的韌性，是一種適于高負(fù)載、高速、高溫狀況下工作的增強(qiáng)材料。但是在制動(dòng)條件下非常惡劣的情況下，摩擦材料表層的芳綸纖維會(huì)因?yàn)榫植窟^(guò)熱而致軟化甚至融化，這會(huì)讓芳綸纖維的性能降低，此時(shí)融化的物質(zhì)會(huì)在摩擦材料的表層形成一層潤(rùn)滑膜導(dǎo)致材料摩擦系數(shù)會(huì)驟然降低。另外，在使用芳綸纖維前必須對(duì)其進(jìn)行一個(gè)開(kāi)松處理，這樣其性能才能更好的發(fā)揮出來(lái)。

 

       3.3玻璃纖維復(fù)合材料的性能分析

 

        玻璃纖維屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，具有良好的耐熱性能、抗腐蝕性能、電絕緣性能，機(jī)械強(qiáng)度較高。絲狀玻璃纖維具有很好的柔軟性，強(qiáng)度也比較大，但是也存在一些缺點(diǎn)如耐磨性能較差、材質(zhì)較脆等等。相對(duì)芳綸纖維、碳纖維其成本相對(duì)較低，產(chǎn)品非常的豐富，能滿足各類摩擦材料的基本要求。石棉雖然具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能、抗拉強(qiáng)度高、耐熱性能好等特點(diǎn)，但由于它具有致癌作用己經(jīng)被各國(guó)禁止使用，而玻璃纖維具有與石棉相近的物理化學(xué)性能因此它將會(huì)成為替代石棉的首選材料并且玻璃纖維的工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)人體無(wú)害，使其在摩擦材料中得到廣泛的使用。研究表明：玻璃纖維摩擦材料具有良好的抗沖擊性能和抗壓縮性能。玻璃纖維對(duì)改善摩擦材料的磨損性能具有好的作用，然而有的研究也表明：玻璃纖維對(duì)溫度和載荷等因素的變化表現(xiàn)很敏感。

 

        3.4碳纖維復(fù)合材料的性能分析

 

       碳纖維是有機(jī)纖維（聚丙烯腈纖維）在惰性氣體中經(jīng)高溫碳化而得到的纖維狀碳化合物，其化學(xué)組成中碳含量高達(dá)90%以上，密度比鋁小、強(qiáng)度比鋼大，具有極好的耐腐蝕和耐高溫性能。碳纖維具有很高的彈性模量，可以增強(qiáng)基體，使摩擦材料具有良好的力學(xué)性能；同時(shí)碳纖維還具有類似石墨的層片狀結(jié)構(gòu)，使摩擦材料具有自潤(rùn)滑性能。碳纖維作為摩擦材料的增強(qiáng)纖維表現(xiàn)出了良好的綜合特性，將碳纖維進(jìn)一步碳化處理效果將更為理想，并且碳纖維與其它纖維混合使用也能獲得較好的效果。碳纖維雖然優(yōu)點(diǎn)很多但是其表面光滑很難與基體樹(shù)脂有效的相結(jié)合在一起。為此我們?cè)谑褂锰祭w維前需要對(duì)其進(jìn)行表面處理。

 

        4.汽車剎車片的材料選定及其加工方法

 

        4.1材料使用性能、工藝性能及經(jīng)濟(jì)性等因素分析確定終選材料

 

        根據(jù)剎車片工作的條件和性能要求知，所選材料具有一個(gè)合適而且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、合適的硬度、壽命要長(zhǎng)即其磨損率要比較低、低磨屑毒性、較高的孔隙率、抗高溫高速熱衰退性能好、制動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)噪音和一定的耐腐蝕性等特點(diǎn)。

 

       一般情況下我們按照加工溫度來(lái)區(qū)分汽車剎車片的生產(chǎn)工藝，大致可以分為以下三類：熱壓法、溫壓法和冷壓法。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的工藝是熱壓法。

 

       它的基本原理是：將模壓料放置于加熱后的模型中此時(shí)模壓料中的樹(shù)脂在熱的作用下由固體變成液體然后再在一定的壓力作用下迅速的流動(dòng)充滿整個(gè)型腔。最終液體樹(shù)脂在烏洛托品的作用下進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，樹(shù)脂的分子量不斷增大，固化程度逐漸增高，模壓料的粘度也逐漸增加，直至變成固體，最后脫模成品。

 

        熱壓成型法雖然技術(shù)成熟但是也有自己的缺點(diǎn)對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，產(chǎn)品密度大、孔隙率低，并且高溫時(shí)摩擦系數(shù)通常伴有衰退現(xiàn)象，需使用特殊材料來(lái)解決；另外，由于熱壓法制得摩擦材料致密所以制動(dòng)時(shí)噪音較大，對(duì)偶件的傷害也較大。因此，在工藝方面國(guó)內(nèi)外很多研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向溫壓法和冷壓法。

 

       現(xiàn)今研究比較多工藝是溫壓法工藝，即模壓料在溫度為100—130°C的溫度下配合一定壓力而得到的成型制品然后輔以一定的熱處理的一種摩擦材料加工工藝方法。美國(guó)一篇專利[54]提到用溫壓法工藝制備樹(shù)脂基復(fù)合摩擦材料，證明了溫壓工藝的可行性。華東理工大學(xué)于毅[57]對(duì)溫壓法制備制動(dòng)摩擦材料也進(jìn)行了研究，制備出的剎車片具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、抗熱衰退性能好、硬度低、磨耗低、發(fā)生制動(dòng)噪音概率低的特點(diǎn)，并且在摩擦面壓力為0.5--2.0MPa或摩擦盤線速度為28--112km/h的高速高壓摩擦試驗(yàn)中，350°C時(shí)材料的摩擦系數(shù)依然能維持在一個(gè)較好的數(shù)值，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程幾乎不發(fā)生熱衰退現(xiàn)象。

 

        冷壓成型工藝相對(duì)與熱壓法和溫壓法其成型溫度的要求較低，一般在室溫或者稍微加熱就可以。冷壓成型工藝制備的摩擦材料具有摩擦性能好、密度低、孔隙率高等特點(diǎn)，尤其是當(dāng)孔隙率高時(shí)其制動(dòng)噪音會(huì)有明顯的改善。冷壓工藝成型的摩擦材料性能穩(wěn)定性不好、質(zhì)量也不容易控制，因此對(duì)于冷壓的工藝一般還是試驗(yàn)研究階段，工業(yè)化上還沒(méi)有成功的列子。

 

        綜合以上考慮，最終我們選擇碳纖維為增強(qiáng)纖維的摩擦材料。首先，碳纖維為增強(qiáng)纖維的摩擦材料能夠達(dá)到低噪音、舒適性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。其次，隨著碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，生產(chǎn)的廠家必然增多那么其價(jià)格也將會(huì)下降。而摩擦材料所用的碳纖維是短切的，對(duì)于其性能要求沒(méi)有用于航空的那么高，即可以使用其他領(lǐng)域的邊角料，這樣就使得成本降低很多可以為廣大摩擦材料廠家所接受。

 

        4.2提高所選材料碳纖維復(fù)合材料性能的途徑

 

        前面我們已經(jīng)提到碳纖維雖然優(yōu)點(diǎn)很多但是其表面光滑很難與基體樹(shù)脂有效的相結(jié)合在一起。為此我們?cè)谑褂锰祭w維前需要對(duì)其進(jìn)行表面處理。

 

       對(duì)碳纖維表面處理以后其表面能就會(huì)增加，弱邊界層也會(huì)得到增強(qiáng)，從而提高表面的粘結(jié)性和濕潤(rùn)性等性能。顯著改善了碳纖維與基體樹(shù)脂之間的界面粘接，界面層可有效的傳遞熱量和載荷，充分發(fā)揮增強(qiáng)碳纖維的高模量、高強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電特性。

 

        碳纖維的表面處理目前主要有兩大類，分別是氧化法和非氧化法。非氧化法主要有電聚合法、氣相沉積法、聚合物涂層法、偶聯(lián)劑涂層法、等離子體法、晶須生長(zhǎng)法等。氧化法有氣相法、液相法、氣液相結(jié)合雙效法、電化學(xué)氧化法。氣相氧化是用氧化性氣體或者直接用空氣來(lái)氧化碳纖維的表面，從而引入一些極性基團(tuán)比如羥基、羧基，使得其表面變的粗糙可以讓它與基體樹(shù)脂更好的結(jié)合。氣相氧化法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單；其次，反應(yīng)時(shí)間短；最后，與碳纖維工業(yè)生產(chǎn)線銜接容易，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理。碳纖維在氣相氧化過(guò)程中，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)和處理溫度的升高，強(qiáng)度會(huì)有所損失，其他性能也會(huì)發(fā)生或多或少的變化，但只要其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，表面刻蝕程度和比表面積都會(huì)隨之增加，這樣將更有利于復(fù)合材料的界面結(jié)合。同時(shí)，化學(xué)狀態(tài)的變化也會(huì)提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。氣相氧化也有其自身的缺點(diǎn)：在進(jìn)行氧化反應(yīng)時(shí)一般都是很激烈，很難控制其精確的反應(yīng)溫度，如果溫度過(guò)高就有可能導(dǎo)致強(qiáng)度損失過(guò)大，如果溫度過(guò)低就可能對(duì)其表面的處理不夠，這些都會(huì)影響碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。液相氧化法相對(duì)與氣相氧化法柔和很多，不會(huì)那么激烈。它主要就是將碳纖維浸漬在某種氧化性較強(qiáng)的溶液中，然后通過(guò)溶液的強(qiáng)氧化性來(lái)氧化刻蝕碳纖維的表面。液相氧化所使用的氧化劑種類很多，如過(guò)硫酸銨、高錳酸鉀、濃硝酸、次氯酸鈉和硫酸混合溶液等等。濃硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑，用濃硝酸氧化碳纖維，可以使其表面產(chǎn)生羥基、羧基和酸性基團(tuán)，這些基團(tuán)的含量都會(huì)隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的升高而增多。

 

       采用液相氧化法氧化后的碳纖維表面所含的溝壑和各種含氧極性基團(tuán)增多，有利于提高纖維與樹(shù)脂之間的結(jié)合。該法與氣相氧化法相比有以下優(yōu)點(diǎn)：氧化較為溫和，不容易使碳纖維產(chǎn)生過(guò)度的裂解和刻蝕，在一定條件下含氧基團(tuán)數(shù)量比氣相氧化法要多，所以處理效果相對(duì)氣相氧化法要好。但是液相氧化法需要用到的均為強(qiáng)堿或強(qiáng)酸及其鹽類，對(duì)設(shè)備的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，對(duì)后續(xù)的環(huán)境污染也比較嚴(yán)重，因此很少用于工業(yè)化生產(chǎn)。

 

        氣液相結(jié)合的氧化法就是先對(duì)碳纖維進(jìn)行一定情況的氣相處理然后在對(duì)其進(jìn)行液相處理。王彥明，王威強(qiáng)，李愛(ài)菊等人[42]證明先在450~500度熱空氣中氧化處理5h左右，冷卻后在68%的濃硝酸中連續(xù)煮沸5h左右，然后用去離子水清洗纖維表面5次，每次30min,100度烘干所得到的碳纖維的表面處理情況最好，與樹(shù)脂的結(jié)合也很好。

 

        5.復(fù)合材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

 

        隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車的普及率也越來(lái)越高。我國(guó)的汽車工業(yè)的迸發(fā)式增長(zhǎng)，目前，我國(guó)汽車保有量曾經(jīng)打破1億輛，汽車保有量的不繼提升，在給汽車后市場(chǎng)帶來(lái)了無(wú)限商機(jī)，然而汽車剎車片是汽配中的易損件因此其發(fā)展前景是非常樂(lè)觀的。但是現(xiàn)在人們對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排的意以越來(lái)越強(qiáng)，這就對(duì)汽車剎車片提出了新的要求。碳纖維不僅具有碳素材料的耐磨和自潤(rùn)滑性，又具有陶瓷材料的耐蝕性耐高溫以及質(zhì)量輕的特性，還具有金屬材料的容易導(dǎo)熱導(dǎo)電性等特點(diǎn)。所以在汽車摩擦材料中利用好碳纖維將能達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的作用。然而對(duì)于碳纖維有一些問(wèn)題和新的現(xiàn)象需要進(jìn)一步探索：對(duì)試試驗(yàn)中剎車片的一些界面、斷面進(jìn)行進(jìn)一步微觀分析，還有就是如何對(duì)碳纖維氣相表面處理的溫度進(jìn)行精確的控制。  

 

       6.結(jié)束語(yǔ)

 

        作為車輛制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一的汽車剎車片，其制動(dòng)效果將直接影響汽車的安全性能?，F(xiàn)今高性能汽車剎車片需要具備的基本要求是：具有一個(gè)合適而且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、適合的硬度、壽命要長(zhǎng)即其磨損率要比較低、低磨屑毒性、較高的孔隙率、抗高溫高速熱衰退性能好、制動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)噪音價(jià)格適中等特點(diǎn)。因此，乘用車制動(dòng)剎車片會(huì)朝著以下幾個(gè)趨勢(shì)發(fā)展：高速化、耐高溫；低損耗、無(wú)噪音；舒適化、環(huán)?；?。因此碳纖維的進(jìn)一步研究發(fā)展對(duì)廣闊的商業(yè)市場(chǎng)將具有深遠(yuǎn)的意義。